※ [本文轉錄自 Gossiping 看板 #1MDsC_V9 ] 作者: jfsu (水精靈) 標題: Re: [問卦] 有沒有 粒子加速器 的八卦啊?? 時間: Mon Nov 2 21:21:00 2015 ※ 引述《spadek89507 (Unlimited)》之銘言： : 粒子加速器-利用電場來推動帶電粒子使之獲得高能量。 : 日常生活中常見的粒子加速器有用於電視的陰極射線管及X光管等設施。 : 被加速的粒子置於抽真空的管中，才不會被空氣中的分子所撞擊而潰散。 : 在高能加速器裡的粒子使用四極磁鐵（quadrupole magnet）聚焦成束， : 粒子才不會因為彼此間產生的排斥力而散開。 : 粒子加速器有兩種基本型式，環形加速器和直線加速器。 : 有沒有八卦啊?? 在說到加速器時，我們不得不談談某位高人的事蹟。沒有他的發明，別說是尋找 上帝粒子（「希格斯玻色子」（Higgs boson）），現在的一些放射醫學可能都得晚個 幾十年哩。 （司儀） 他低調，但是他才華洋溢， 他謙虛，但是受萬人敬仰， 他實現了千百年來煉金術士的夢想， 點石成金！ 他究竟是神仙的化身，還是地獄來的使者， 沒有人知道，(神祕地搖搖頭...) 勞倫斯‧歐內斯特‧奧蘭多（Lawrence Ernest Orlando, 1901.08.08~1958.8.27）， 美國物理學家。因發明了第一台高能粒子加速器：迴旋加速器，獲得1939年諾貝爾 物理學獎。 他出生於美國南達科塔州南部的坎頓(Canton)教師的家庭。小的時候因為太瘦而被戲稱 為瘦皮猴。在他兩歲時，因愛玩火柴差一點就變成志志雄真實。 中學時代，他和他最好的朋友梅爾塔夫（長大之後成為一個非常有成就的核物理學家） 自己動手架設了一台無線電發射台站，以NCC的眼光來看，他們搞了個違法的地下電台！ 不過，這樣子的一個經驗，日後卻讓他用來加速質子。（在台灣，可能只能賣賣成藥， 或是宣傳一下『位元堂』養陰丸～好似太陽咁溫暖～） 勞倫斯聰慧博學，善於思考，也是個擁有快樂性格的人。除了對科學有濃厚興趣外， 在其他活動中亦表現出非凡的才能。1916年，他進入南達科塔州州立大學作為醫學預科 學生。課餘時，他喜好操作無線電通訊。某天，他大膽地走入該校電氣工程學院 迪恩‧路易士‧阿克利院長的辦公室，並敲了下門。 「請進！」阿克利用著爽朗的聲音說著。 「院長您好，我是勞倫斯‧歐內斯特‧奧蘭多，醫學院的學生。有件事想請你考慮一下」 看著眼前這位蓄著鬍子又有禮貌的四眼仔，阿克利院長靜靜地聽著勞倫斯的請求。 「你是說，你想建議學院購買一套無線電設備？」 「是的！一個電氣工程學院的學生怎能不會操作無線電呢？而且如果有這套設備，就 　可以知道全美的消息，而且，無線電將會在我們的生活扮演一個非常重要的角色！」 「但是，這樣的一套設備要不少錢哩！」 「院長，掌握籃板球，就可以稱霸球場！掌握無線電就可以稱霸世界！」勞倫斯振臂 疾呼著。 「都老梗了，還一直用。」阿克利咕噥道。 「不會很貴！100元還有找！」勞倫斯從上衣口袋掏出一張清單，裡頭條列著項目設備， 金額多少，需要多少天可以完成…。 「這張清單是我攪盡腦汁辛苦擬好的『刻骨銘心之無線電設備』話說，前幾天我遇到 了兒時玩伴，他說：「電台無線美！」，腦海瞬間閃過這個念頭，估算一下只要花 九十九點九九元就可以購買一整套的設備，連一百元都不到耶。而且隨裝還送耳麥 一個，若再加上九十九點九九元，就可以換到刻骨銘心的菊花型抱枕，聽說這個抱枕 因為經過菊花加持，對於長期坐著操作無線電的屁屁有著妙不可言的功效！」 在勞倫斯回去之後，阿克利看著桌上的清單，再想想剛才眼前的小伙子，在自己任教的 歲月裡，很少人能讓他如此印象深刻。他叫來了助理，並調出了勞倫斯的入學資料。 隔天，勞倫斯再度出現在阿克利的辦公室裡頭。 「你是不是很喜歡無線電呀？」 「當然！」 「那你畢業之後，是要推動無線電科學，還是立志要當個無線電電台播報員？」 「我只是想當個教育家。」 阿克利上下打量著他，心想，這傢伙絕非池中物，若只當個老師就未免可惜了。這樣 一個人才應該從事科學才對。 就在阿克利思索著同時，勞倫斯以為他正在考慮是否要買無線電設備。 「院長！請務必提撥這筆款項！」勞倫斯才說完，從褲子裡掉出個班子。 「我本身是一個業餘無線電愛好者，班子呢~是我拿來上螺絲用的。」 勞倫斯邊說著將班子收入口袋。 下一秒，才彎腰要揀拾的時候，匡啷一聲，地板上竟躺著一根鐵鎚。 「誠如我說的，為了組裝無線電設備，身上帶著鐵鎚也是件合理的事。」 阿克利一抹額頭上冒出的汗：「你放心，這…這…筆款項我會儘快撥下來給你。」 「謝謝院長！」勞倫斯開心地答道，隨後他拍拍腰際掛著班子與鐵鎚喃喃自語： 「還以為這些傢伙要派上用場哩…」 沒多久，阿克利院長果然提撥了一筆錢下來，讓勞倫斯順利地組裝一套無線電設備。 之後，他總是在課餘時，找勞倫斯聊天。阿克利院長帶著富有啟發性的言語，一點一滴 地勸誘勞倫斯踏上一些科學偉人的征途。 在勞倫斯的房邊裡，總是掛著到康普頓、玻爾和拉塞福等物理界天才的照片，當然囉， 其中也包括了阿克利院長的相片。他的室友見此，問他為什麼，勞倫斯總是淡淡地說： 「因為， 　　　　愛。」 該年的暑假之後，他便跳槽到物理學院，並接受阿克利院一對一的指導，來彌補過去 對於物理學的不足。1922年，勞倫斯畢業之後，隨即被阿克利院送到美國明尼蘇達大學， 在那裡他獲得了物理學碩士。他的指導教授威廉‧法蘭西斯‧格雷‧斯旺，對勞倫斯有很 深影響，使他對電磁場理論進行了深入的學習。在獲得碩士學位之後，便跟隨斯旺教授 轉到芝加哥大學，在那裏，他遇見了著名的年輕物理學家康普頓(A. H. Compton)教授， 並從他那裏吸取了許多X射線實驗的經驗。 1925年，勞倫斯在以鉀的光電效應為題在耶魯大學完成博士學位。在這期間，業餘從事 用示波器做顯像實驗（如果不是有人捷足先登，說不定他會取得發明電視機的專利。） 他興趣廣泛，思路開闊，深得同行的讚許。他成為一名助理教授於並續留在耶魯大學 研究光電效應。1928年，他被任命為加州大學柏克萊分校物理系副教授，兩年後，他 成為該校最年輕的教授。他一直在該校工作到晚年，使柏克萊加州大學由一所新學校 成了核物理的研究基地。 在談到勞倫斯選擇科學研究方向時，不得不說說當時的核物理學與基本粒子學正處於 嶄新的一年，當時科學家已經發現了中子（正電子）與重氫（氘），並提出了質子-中子 的原子核模型，同時也建成了粒子加速器。在粒子加速器誕生之前，是用著像拉塞福 使用的〔鐳〕輻射出的α粒子去撞擊原子核，因為能量不足，強度也弱，效果畢竟是 有限的。勞倫斯深知，要研究原子核，必須人為地使粒子加速，才能取得更好的效果。 1928年前後，人們紛紛在尋找加速粒子的方法。當時實驗室中用於加速粒子的主要設備 是變壓器和整流器、衝擊產生器、靜電產生器、特士拉(Tesla)線圈等。這些方法全都要 靠高電壓，可是電壓越高，對絕緣的要求也越苛刻，否則儀器就會被擊穿。 1929年初的一個晚上，勞倫斯正在大學圖書館瀏覽期刊苦思解決方案之際，無意中發現 在一本德文電氣工程雜誌上有一篇維德羅(Wideroe)的論文，討論正離子的多次加速問題 。雖然勞倫斯的德文不太靈光，但他只是看看插圖和儀器照片。 ＝底下是有點深度的論文，不喜可略過=＝底下是有點深度的論文，不喜可略過= 感謝大大無私的分享。 有下有推。 ＝以上是有點深度的論文，不喜可略過=＝以上是有點深度的論文，不喜可略過= 這篇論文吸引了他的注意，使他領悟到可以採用一種巧妙的方法來解決這個矛盾： 「不用直線上那許多圓柱形電極，可不可以靠適當的磁場裝置，只用兩個電極，讓 正離子一次一次地來往於電極之間？只要證明均勻磁場恰好有合適的特性，在磁場中 轉圈的離子，其角速度與能量無關。這樣它們就可以以某一頻率與一振盪電場共振， 在適當的空心電極之間來回轉圈。（這個頻率後來叫做『迴旋頻率』）。 簡而言之，他希望用磁場把粒子限制在一個圓圈裡面，粒子在裡頭不斷地循環，不斷地 加速。此時，如果把原子靶放在圓形電極的周圍，讓這些帶有高能量的粒子去轟擊它， 使原子核破裂，這樣一來就可以研究核內的性質。 在一次學校的討論會上，他再次振臂疾呼，熱情的措詞，慷慨激昂的語調，隨身攜帶著 班子與鐵槌交錯閃耀在講台前…。可惜的是，校內的教授，甚至是同事莫不抱持的保守 的態度，認為這些都是理論上的東西，要實現它太困難了。 「你造個阿姆斯特朗砲要幹嘛呢？你想跟誰開戰啊？」搖頭聲與嘲笑聲此起彼落。 「你錯了！我要造的是新阿姆斯特朗炫風噴射阿姆斯特朗砲（Neo Armstrong Cyclone Jet Armstrong Canon），我要用它來戰你老木！！」 1930年春，勞倫斯讓他的一名研究生愛德勒夫森(Nels Edlefson)做了兩個結構簡陋的 迴旋加速器模型。真空室的直徑只有4英吋，其中的一個還真的顯示了能工作的跡象。 同年9月，美國科學院在柏克萊開會，勞倫斯在會上宣布了這一新方法，並向與會者展示 了小模型。在這微型迴旋加速器上加不到1千伏的電壓，可使質子加速到80000電子伏的 速度，也就是說，不到1千伏的電壓達到了8萬伏的加速效果。 這次實驗標誌了迴旋加速器的成功。 他的一個學生，史坦利‧李文斯頓(M. S. Livingston)，用黃銅和封蠟作出了直徑 4.5英吋的真空室，它加速氫離子（質子）到13000電子伏特（eV）。不久，勞倫斯著手 建立第二個迴旋，建成後，它加速質子到120萬電子伏特，這能量足夠引起核解體。 1932年，勞倫斯建成了11英吋的儀器，可把質子加速到1.25百萬電子伏 (MeV)，輕而易舉 地實現並驗證了英國卡文迪西實驗室的科克饒夫(J. D. Cockcroft)和瓦爾頓(E. T. S. Walton)用高壓倍加器作出了鋰(Li)轉變實驗。這次實驗的成功，顯示了迴旋加速器的 優越性，使科學界認識到它的意義，許多放射性同位素陸續在柏克萊發現，柏克萊加州 大學成了核物理的研究中心，並把生產出來的放射性同位素提供給醫生、生物化學家、 農業和工程科學家，以供推廣應用，包括放射性碘治療，首次治療甲狀腺功能亢進症。 此外，他提出了利用中子束治療癌症。 1936年，在勞倫斯主持下，37英吋的迴旋加速器改裝完成，使粒子能量達到6MeV。用它 測量了中子的磁矩，並且產生出了第一個人造元素--鎝(Tc)。 同年3月28日，千百年來，煉金術士夢寐以求的夢想終於成為事實。勞倫斯利用迴旋 加速器產生了11MeV的粒子束，第一次將鉑元素變成了黃金。（最初盧瑟福嘗試，用天然 放射性物質發射出的高速α粒子（即氦原子核）轟擊氮核，得到了氧核。） 在1939年，用加速器提供的α粒子的能量已經達到了百萬兆電子伏。用這些高能量的 『炮彈』轟擊其他原子核，引起了許多新的核衰變，使普通的物質轉變為放射性比居里 夫人發現的天然鐳還要強的人工放射性物質，並放出巨大的能量，這也是放射性元素能 夠應用於生物學和醫學的一個重要條件。（歷史上，迴旋加速器還對核力和核裂變問題 的研究起過極其重要的作用。現在，它仍然是核子物理實驗中的一種重要設備。） 一台大型的迴旋加速器，從設計、製作、裝設、調試直到進行各項實驗活動，都需要 各種人才的分工合作，互相配合。勞倫斯雄才大略，能吸引年輕人追求新知， 找到金主（洛克菲勒基金會捐140萬美元），組成研究團隊。 他特意補充了一名年輕的無線電工程師斯朗(D. Sloan)作為研究生，專為新機器修建 振盪器。新機器開動不久，他又找了位年輕的博士後研究員庫理(F. N. D. Kurie)， 讓他發揮所學的威爾遜雲霧室技術。後來認識到蓋革計數器對研究放射性有重大意義， 就找到一位叫庫克塞(C. D. Cooksey)的專家來領導這項工作。 到1969年代，勞倫斯實驗室出了八位諾貝爾獎得主。 二戰期間，他的輻射實驗室成為曼哈頓計畫成敗關鍵：廣島原子彈的核心鈾235， 是以他開發的電磁分離法在橡樹嶺提煉出來（卡留管（calutron）同位素分離器是他的 專利，他以一美元的價格便轉讓給美國政府。勞倫斯認為藉由科學發現所獲得的財富 不該為個人牟利。）製造長崎原子彈的新元素鈽，亦在他的實驗室發現。 然而，勞倫斯仍不願加速器停留在這個水準。他認為，在這個水準上工作，還遠不足以 發現微觀世界的奧秘，所以新的一代迴旋加速器又在設計之中。1944~1945年，蘇聯物理 學家維克斯列爾與麥克米蘭(E. M. McMillan, 1951年榮獲諾貝爾化學獎)分別發現迴旋 加速器能量受到限制的主要原因是相對論效應，即粒子的質量會隨速度的增大而增大。 當能量很高時，粒子速度非常快，其質量就不能看成是常數，因此，粒子繞一周所費的 時間也將逐漸增大。如果高頻電壓的頻率保持不變，在一周中必將有一段時間電磁力 對粒子的運動起阻礙作用，造成『不同步』。同步加速器的高頻電壓頻率隨粒子的速度 改變，保持同步關係，所以就可以使粒子得到更高的能量。根據這一原理重新設計了 加速器，麥克米蘭稱之為同步迴旋加速器（synchrocyclotron），它能夠激發質子到 350兆電子伏特。有了這台機器，勞倫斯將氘核剝離而發現氮的同位素(氮17)。 1948年，勞倫斯來到原子能委員會希望能採購建造貝弗質子同步加速器（Bevatron）， 後來用它發現了反質子。1941年，該儀器亦用來產生人為的宇宙粒子（稱為介子）， 而這機械被戲稱為『原子粉碎機』。從此，勞倫斯打開了核物理學嶄新的一頁，它不但 讓人類對物質結構的認識進入了更深的一個層次，亦以更積極的方式探索自然。 1958年，在艾森豪威爾總統的請求下，勞倫斯前往日內瓦參加與蘇聯的談判，商討並 擬議禁止試驗核武器。在日內瓦期間，他病倒了，不得不返回柏克萊，隨即被送到醫院 手術。在他最後幾天，他對妻子說：「我希望我能有更多的休息時間，但我的良心不會 讓我如此。」為什麼他要這麼拼？理由很簡單，先前提過，就是他發明了新的鈾分離 技術而做成了原子彈。病重的他一心仍掛念這點。 同年8月27日，勞倫斯因病去世，終年57歲。為了表彰他的貢獻，柏克萊加州大學輻射 實驗室改名為勞倫斯輻射實驗室。1961年4月美國出版的《物理評論》中登載出關於 發現103號元素的最早報導。這個新元素是用約70MeV的硼-10和硼-11的原子核轟擊3微克 的鉲-250和鉲-249獲得的。發現者為了紀念勞倫斯，將它命名為Lawrencium(元素符號為 Lw，後來改為Lr)，即元素鐒(原子序數103，是人工放射性元素) 最後，我們聊聊他獲得諾貝爾獎的兩三事。 1938年，諾貝爾物理學獎公布的日子即將到來，該年的得主不是美國的勞倫斯就是義大利 的費米。獲獎的當天，勞倫斯仍和往常一樣，正前往實驗室途中。只是一到門口，就被 團團的記者圍住，鎂光燈閃個不停。 「勞倫斯先生！可否說說你現在的心情？」 「在遙遠東方，中國的孔老夫子曾說過：初戀無限美。等通知的心情，就像初戀的少女 等情人，既怕他不來，又怕他亂來 。」勞倫斯嘆了口氣說。 「這意境真是高啊…」一群人遙望天際無不點頭如搗蒜。 咳咳～OK，以上是瞎掰的。事實是，勞倫斯一看到眾人圍在他的實驗室，嚇得連忙回家 躲著。上午十點左右，消息終於公佈，是費米得獎。他開心地走出門，揮揮手對著記者 說：「費米能獲獎，可真是當之無愧！」 勞倫斯，他就是這麼一個低調的人。 當他再度出門到了實驗室之後，他拿起一瓶擺在桌上原先要用來慶祝的香檳，正準備給 自己倒滿一杯時，看到一位滿臉沮喪的同事，他拎起瓶子走過去並象徵性地鼓勵拍了 對方的屁股：「ㄟㄟㄟ…嘆氣什麼啊！我們還有很多事要做哩！我的目標不是諾貝爾獎， 而是要將美國成為如哥本哈根、劍橋這類知名的研究中心！」 「勞倫斯先生，關於這點，我能理解。但我想問的是，你方才對我做了什麼…」 這位同事點點頭，難為情地揉揉屁股說。 勞倫斯望著手上不見的香檳瓶子，竟一時語塞。 1939年11月，又來到了諾貝爾獎公佈的時間。 此時的他正在柏克萊網球俱樂部打球，當他接到電話，一頭傳來祝賀他的聲音，他只是 淡淡地道了謝，掛上電話後，他抄起一隻球拍默默走向身旁的一位同事…。 為了表彰勞倫斯發明迴旋加速器的功績，1939年諾貝爾物理獎頒給了勞倫斯，不過由於 第二次世界大戰，直到1951年才舉行領獎儀式。 以上就是迴旋加速器的發明者〔勞倫斯〕的故事。 參考 & 改編 1.wikipedia 2.科學五千年 3.http://www.scu.edu.tw/physics/science-scu/M301/nobel.htm 4.http://songshuhui.net/archives/47615 5.阿拉伯的勞倫斯 最後宣傳一下免費的線上科普漫畫： 物理萌史 http://physicstory.pixnet.net/blog 哥白尼、法拉第 粉絲團 https://www.facebook.com/physicsmanga --

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